JP2018069998A - 車両用姿勢制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】加速時、減速時に車両の姿勢制御を行うことにより、ドライバの意図するとおりの旋回走行をアシストすることができる車両用姿勢制御装置を提供する。【解決手段】操舵角δと車速vとに基づいて、車両旋回時の目標横すべり角βsを算出する目標横すべり角演算部151と、車軸のトルクT、自動車エンジン31に入力される燃料の噴射量F、車両の前後方向加速度a、車両の前後方向加速度Raの中から選択される少なくとも1つに対応して算出される横すべり角補正量Δβを用いて、前記目標横すべり角演算部151によって算出された目標横すべり角βsを補正する目標横すべり角補正部152とを備え、前記目標横すべり角補正部152によって補正された目標横すべり角β*を用いて車両の姿勢制御を行う。【選択図】図2

Description

本発明は、車両用姿勢制御装置に関する。
車両の運転中に、急な加減速をしたときや、急なハンドル操作をしたときに、車両の横すべりを感知すると、自動的に個々の車輪に独立してブレーキをかけることにより横すべりを防止する機構を「電子式車両姿勢制御機構」(Electronic Stability Control; ESC)、または「横すべり防止機構」という。
この電子式車両姿勢制御機構は、車速、ハンドルの操舵角、各車輪の回転速度、車両に発生する前後方向加速度、横加速度、回転角速度(ヨーレート)などを検出する各種センサから情報を集積し、不安定な車両状態を検知し、各輪独立した転舵角制御、各輪独立したブレーキ制御やエンジンの出力制御などを実施することにより、車両の進行方向を修正、維持する。
具体的には、車両がアンダーステア状態になった時に、旋回内側車輪の制動力を旋回外側車輪の制動力よりも大きくすることで旋回内側方向への車両ヨーモーメントを発生させ、オーバーステア状態になった時には旋回外側車輪の制動力を旋回内側車輪の制動力よりも大きくすることで旋回外側方向への車両ヨーモーメントを発生させ、車両挙動を安定化させる。
例えば、特許文献1の例では、車両状態を検知するために、ハンドルの操舵角や車両挙動情報(車速、各車輪の回転速度、車両に発生する前後方向加速度、横加速度、ヨーレート)から情報を集めて目標とする車体横すべり角を演算により求めていた。しかし、車両挙動情報は、ドライバが意思を発した時点から、主に車両慣性の影響により発生する遅れを伴っている。そのため、車両挙動情報は、ある時点での車両状態を判断する情報としては有効であるが、ドライバの意思に基づく車両挙動の目標値を決定するための情報としては課題が残されていた。
そこで、特許文献2では、車両挙動と関係があるとともにドライバが意思から遅れのない情報として、ドライバの操作する操作器の操作量、例えばハンドルの操舵角速度、アクセルペダルの踏み込み量、アクセルペダルの踏み込み速度、フットブレーキペダルの踏み込み量の中から選択される少なくとも1つに対応して横すべり角補正量を算出し、この横すべり角補正量を用いて目標とする横すべり角を補正し、前記補正された横すべり角を用いて車両の姿勢制御を行う発明が記述されている。これによりドライバの意思から遅れのない制御目標に基づいた車両の姿勢制御を行うことができるため、車両の操縦性を向上させることができる。
特開2001-233195号公報 特開2013-82268号公報
しかし特許文献2の技術においても、ハンドルに接続される操舵系、アクセルペダルの操作からエンジンのトルクを駆動輪の駆動力として伝達する伝達系、及びフットブレーキペダルの操作から制動力を発生させるまでの伝達系に、遊び、摩擦、粘性、弾性、慣性等があるため、ドライバの操作量と車両挙動との間には相関のない領域が存在する。よって、目標とする車体横すべり角の算出にあたって、より精度を向上させることが困難であった。
そこで、本発明の目的は、ドライバの操作する操作器を測定対象とするのではなく、車両の横すべり角にかかわる物理量、具体的には車輪軸にかかるトルクを直接若しくは間接的に検出し、検出されたトルクに基づき目標とする車体横すべり角を補正して車両の姿勢制御を行い、ひいてはドライバの意図するとおりの旋回走行を行うことができる車両用姿勢制御装置を提供することである。
前記の目的を達成するための本発明の車両用姿勢制御装置は、操舵角と車速とに基づいて、車両旋回時の目標横すべり角を算出する目標横すべり角演算部と、原動機の出力を駆動輪に伝達する駆動系を構成する回転軸のトルクを検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段によって検出されたトルクに基づいて算出される横すべり角補正量を用いて前記目標横すべり角を補正する目標横すべり角補正部と、前記目標横すべり角補正部によって補正された目標横すべり角を用いて車両の姿勢制御を行う姿勢制御部とを備えるものである。
この構成によれば、駆動系を構成する回転軸に作用するトルクを検出し、このトルクに応じて、目標横すべり角を補正することができる。これによって、ドライバの操作する操作器の変位量を測定する場合に比べて、より正確な横すべり角補正量を求めることができる。よって、横すべり角の補正精度を向上させることができ、ドライバの意図する旋回走行を車両に行わせることができる。
本発明の一実施形態に係る車両用姿勢制御装置の概略構成を示す模式図である。 姿勢制御部15の制御ブロック図である。 エンジンの出力を駆動輪に伝達する駆動系を構成する回転軸のいずれかの部位にかかるトルクTまたはエンジンに供給される燃料の噴射量Fと、横すべり角補正量(Δβ)との関係を示すグラフである。 エンジンの出力を駆動輪に伝達する駆動系を構成する回転軸のいずれかの部位にかかるトルクTまたはエンジンに供給される燃料の噴射量Fと、横すべり角補正量(Δβ)との、他の実施形態にかかる関係を示すグラフである。 姿勢制御部15の全体制御手順を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、車両用姿勢制御装置の概略構成を示す模式図である。
車両用姿勢制御装置1は、ステアリングホイール等の操舵部材2と、操舵部材2に同行回転可能に連結されたステアリングシャフト3とを備えている。ステアリングシャフト3には、操舵部材2の操舵角δを検出する操舵角センサ4が設けられている。操舵角センサ4は、操舵部材2のステアリングシャフト3の円周上に取り付けられた多極磁石を磁気感応素子等で検出することによりステアリングシャフト3の回転角を検出する。ステアリングシャフト3の一端には操舵部材2が取り付けられ、他端は自在継手5に連結され、ここから舵取り機構を介して、駆動輪である前輪Tfr,Tflに連結されている。
舵取り機構は、一端が自在継手5に連結されるピニオン軸6と、ピニオン軸6の他端に設けたピニオンに噛み合い、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸7と、ラック軸7の一対の端部のそれぞれにボールジョイント8L,8Rを介して連結されるタイロッド9L,9Rとを有している。“10f”はラック軸7に作用する軸力を検出するための軸力センサを示し、“10r”は後輪の車軸に作用する軸力を検出するための軸力センサを示す。
なお、ステアリングシャフト3またはラック軸7には、ギア装置を介して、操舵補助電動モータ(図示せず)が連結されている。この操舵補助電動モータによって操舵補助力が与えられる。
この車両用姿勢制御装置1が搭載される車両では、エンジン31の駆動トルクを駆動輪に伝達する車軸20に、エンジン31から伝達される駆動トルクを検出するトルクセンサ21が取り付けられている。駆動輪は前輪であっても後輪であってもよいが、本実施形態では、前輪を駆動輪とする。トルクセンサ21は、車軸20に取り付けられた歪みゲージ(図示せず)から得られる電気信号に基づいてトルクを検出する。
なお、以上の例では駆動輪の車軸20にトルクセンサ21を取り付けることにより、エンジン31から伝達される駆動トルクを検出していたが、この駆動トルクを検出する部位は、駆動輪の車軸20に限られるものではない。エンジン31の出力を駆動輪に伝達する駆動系を構成するいずれかの回転軸の任意の部位にトルクセンサを取り付けることができる。例えば、エンジン31の出力軸(クランクシャフト)32にトルクセンサを取り付けてもよく、この場合でもエンジン31から伝達される駆動トルクを検出できる。なお、エンジン31の出力軸と車軸との間には図示しない変速装置が介在しているが、駆動輪の車軸にかかるトルクを算出するにはこの変速比を考慮する必要がある。
また、エンジン31に供給される燃料の噴射量をセンサ信号として利用しても良い。燃料の噴射量はエンジン31から出力される駆動トルクにほぼ比例すると考えられるからである。この場合も前記エンジン31と前記車輪軸との変速比を考慮する。なお燃料の噴射量の信号は、例えば車載ネットワークCANから取ることができる。
以上のように、(1)エンジン31の出力を駆動輪に伝達する駆動系を構成する回転軸のいずれかの部位にかかるトルク、(2)エンジン31に供給される燃料の噴射量のいずれかまたはそれらの組み合わせを用いて、エンジン31から駆動輪に伝達される駆動トルクを推定することができる。
図1を参照して、車両用姿勢制御装置1には、さらに車両の前後左右の各車輪を制動するための四輪油圧制御ユニット11が設けられている。この四輪油圧制御ユニット11は、ブレーキペダル12の踏力に応じた各車輪の制動圧をマスターシリンダにより発生させる。その各制動圧は、四輪油圧制御ユニット11から各車輪のブレーキ装置13にホイルシリンダ圧(ブレーキ圧)として分配され、各ブレーキ装置13において各車輪に制動力を作用させる。
ブレーキ装置13の構造を、図1の右後輪Trrの部位において、破線円内に拡大して示す。ブレーキ装置13は、キャリパ13aの内部に取り付けられたブレーキパッド13bが車輪のロータ14に押し当てられることにより、制動力が発生する構造となっている。
四輪油圧制御ユニット11は、コンピュータにより構成される姿勢制御部15に接続される。この姿勢制御部15には、前述した操舵角センサ4および軸力センサ10と、車輪の回転速度を検出する車輪速センサ16と、車体に取り付けられたヨーレートセンサ17と、車体に取り付けられた横加速度センサ18とが接続されている。車輪速センサ16は、車輪のロータ14の回転速度を光学的に読み取るセンサであって、読み取った回転速度に、車輪の有効回転半径をかけることにより車速vを検出する。ヨーレートセンサは車両の回転角速度(ヨーレート)を検出するセンサであり、例えば圧電素子を用いて振動体にかかるコリオリの力を検出することにより、車両の回転角速度を検出する。横加速度センサは、車両の横方向にかかる加速度を検出するセンサであり、例えばセンサ素子の可動部と固定部との間に発生する静電容量の変化を検出することにより、車両の横方向にかかる加速度を検出する。
姿勢制御部15は、車輪速センサ16により検出される車両の速度vと、操舵角センサ4により検出される操舵角δとに基づいて、目標とする車体横すべり角(車体の横方向の速度と縦方向の速度のなす角度。以下単に「横すべり角」という)β*を算出し、ヨーレートセンサ17と横加速度センサ18とを用いて推定された実際の横すべり角βとの差に基づいて、後輪に分配するブレーキ圧を決定し、そのブレーキ圧信号を四輪油圧制御ユニット11に提供する。
なおこの実施形態では、操舵角δは、操舵部材2を中立位置から左方向に回している場合を正の値とし、中立位置から右方向に回している場合を負の値として処理されるものとする。右旋回しているか左旋回しているかを区別するには、操舵角センサ4、ヨーレートセンサ17または横加速度センサ18の検出信号を利用して行うことができる。車体横すべり角βは、車体が中立位置から左方向を向いている場合を正の値とし、中立位置から右方向を向いている場合を負の値として処理されるものとする。トルクTは、車両を加速する方向を正とし、減速する方向を負とする。
図2は、姿勢制御部15の制御ブロック図を示す。
姿勢制御部15は、車輪速センサ16から得られる車速vと、操舵角センサ4から得られる操舵角δとから目標横すべり角βsを演算する目標横すべり角演算部151と、目標横すべり角補正部152とを備えている。目標横すべり角補正部152は、後述する2つの記憶部(1),(2)のうちいずれか1つもしくは両方を備えている。目標横すべり角βsの演算式については後述する。
目標横すべり角演算部151で算出された目標横すべり角βsは、目標横すべり角補正部152によって、トルクTおよび燃料噴射量Fの少なくとも一つに基づいて補正される。
目標横すべり角補正部152が記憶部(1)を備えている場合、記憶部(1)において、トルクT と横すべり角補正量ΔβTとの間の予め定められた関係(マップ)を記憶しており、トルクTを前記関係に適用して第1の横すべり角補正量ΔβTを算出する。この関係を、図3のグラフに示す。
この図3のグラフでは、トルクTが正の方向に増大すると横すべり角補正量ΔβTは、右旋回の場合は負の方向に増大し、左旋回の場合は正の方向に増大する。トルクTが負の方向に増大すると横すべり角補正量ΔβTが右旋回の場合は正の方向に増大し、左旋回の場合は負の方向に増大する。したがって操舵部材2を左に切っているときアクセルペダル19を踏み込むなどしてトルクTが増大するようになると、目標横すべり角βsは正(左)の方向に補正され、操舵部材2を右に切っているときアクセルペダル19を踏み込むなどしてトルクTが増大すると、目標横すべり角βsは負(右)の方向に補正される。
操舵部材2を右に切っているときブレーキペダル12を踏むなどしてトルクTが負の方向に増大するようになると、目標横すべり角βsは正(左)の方向に増大するように補正される。操舵部材2を左に切っているときブレーキペダル12を踏むなどしてトルクTが負の方向に増大するようになると、目標横すべり角βsは負(右)の方向に増大するように補正される。なお、ブレーキペダル12を踏み込んだときのトルクTは、その時の制動力に応じたトルクT(制動トルク)が車軸20に生じると仮定し、ブレーキ圧に応じた仮想的なトルクTを算出して用いる。
図3のグラフでは、トルクTの絶対値が0から増大すると横すべり角補正量ΔβTの絶対値も単調に増大していたが、図4に示すように、トルクTが閾値−thから閾値thの範囲であれば横すべり角補正量ΔβTを0とし、トルクTが閾値thを正の方向に超えた時点で横すべり角補正量ΔβTの絶対値が増大し始め、トルクTが閾値−thを負の方向に超えた時点で横すべり角補正量ΔβTの絶対値が増大し始めるようにしてもよい。
この図4のグラフでは、アクセルやブレーキの急激な操作をしない限り、目標横すべり角βsは補正されない。これはドライバは急加速、急減速、急操舵を行っておらず、走行状態は十分にドライバの制御の範囲内であり、車両の姿勢制御をサポートする必要はないと判断されるからである。ドライバが急激な操作をした場合、目標横すべり角βsは、加速時は操舵部材2の切り角を深める方向に、減速時は操舵部材2の切り角を緩める方向に補正される。
また、図3、図4で、トルクTが正または負の方向に増大した場合、横すべり角補正量ΔβTの絶対値が、上限値に収束するように設定しても良い。
いままで目標横すべり角補正部152が、トルクTと横すべり角補正量ΔβTとの間の予め定められた関係を記憶した記憶部(1)を備えている場合を説明したが、目標横すべり角補正部152がエンジン31に供給される燃料の噴射量Fと第2の横すべり角補正量ΔβFとの関係を記憶した記憶部(2)を備えていてもよい。なお記憶部(2)に記憶されているグラフの形も、図3、図4に示したものとほぼ同じ傾向となるため、図3、図4で代表させている。
以上に説明した横すべり角補正量ΔβT,ΔβFのグラフの数値は、車両の速度、車両の重量、車両のホイールベースに応じて決定される設計値となる。
記憶部(1),(2)が備えられている場合、姿勢制御部15は、式
Δβ=GΔβT+HΔβF …(1)
に基づいて、横すべり角補正量Δβを算出してもよい。係数G,Hは、各横すべり角補正量ΔβT,ΔβFに対する重み付け係数である。補正された目標横すべり角β*は、
β*=βs+Δβ …(2)
となる。
記憶部(1)及び(2)の一方のみを備える場合、姿勢制御部15は、対応する横すべり角補正量及び重み付け係数を適用して、横すべり角補正量Δβを算出してもよい。
姿勢制御部15は、図2に示すように、ヨーレートセンサにより検出されたヨーレートγ、横加速度センサにより検出された横加速度a、及び車両の速度vから、実際の車体横すべり角βを推定する横すべり角推定部154と、補正後の目標横すべり角β*と、前記推定された車体横すべり角βとの差分(β−β*)をとり、この差分(β−β*)に基づいて姿勢制御のためのブレーキ圧の算出を行う姿勢制御ブレーキ圧演算部153とをさらに備えている。
姿勢制御ブレーキ圧演算部153によって算出された右後輪のブレーキ圧と左後輪のブレーキ圧とは、各後輪に分配さる。このときの車両挙動はヨーレートセンサや横加速度センサにより検出され、横すべり角推定部154によって車体横すべり角βが求められる。姿勢制御ブレーキ圧演算部153は、この車体横すべり角βと目標横すべり角β*との差分(β−β*)に基づいて、姿勢制御のためのブレーキ圧の算出を行うことにより、車体横すべり角βを、目標横すべり角β*に保つようにフィードバック制御を行う。
図5は、姿勢制御部15の全体手順を説明するためのフローチャートである。
姿勢制御部15は、目標横すべり角βsを算出する(ステップS1)。
目標横すべり角βsの算出式の例は次のとおりである。ここでm:車両重量、v:車両の速度、L:ホイールベース(L=Lf+Lr)、Lf:車両重心点と前車軸との距離、Lr:車両重心点と後車軸との距離、Cf:前輪のコーナーリングパワー(タイヤ横すべり角0度付近のタイヤの横力とタイヤ横すべり角との比)、Cr:後輪のコーナーリングパワー、とする。
βs=(A/B)(Lf/L)δ …(3)
A,Bは、それぞれ
A=1−(m/2L)(Lf/LrCr)v2 …(4)
B=1−(m/2L2)[(LfCf−LrCr)/CfCr]v2 …(5)
で算出される。
姿勢制御部15は、前述した式(1),(2)を用いて、補正後の目標横すべり角β*を求める(ステップS2)。
一方、実際の車体横すべり角βは、ヨーレートセンサにより検出されたヨーレートγと、横加速度センサにより検出された横加速度aとから、次の式に基づいて推定される。
β=∫(−γ+a/v)dt …(6)
積分範囲は、車両が旋回走行に入る直前時点(この時点ではγ,a,βともに0である)から、旋回走行中の現時刻tまでとする。これにより、車体横すべり角βを時刻tの関数として求めることができる(ステップS3)。
なお、実際の車体横すべり角βは前記(6)式を用いる以外に、軸力センサ10の検出値を用いて次のようにして求めても良い。
β=Fyf/Cf−Lfγ/v+δ …(7)
ここで、Fyfは前輪軸の軸力である。
姿勢制御ブレーキ圧演算部153において、目標横すべり角β*と実際の車体横すべり角βとの差分(β−β*)をとり(ステップS4)、この差分(β−β*)に基づいて、姿勢制御のためのブレーキ圧の算出を行う(ステップS5)。
ステップS4において、差分(β−β*)の絶対値|β−β*|が、姿勢制御を開始するかどうか判定するための閾値βthよりも小さければ、姿勢制御ブレーキ圧演算を行わない。この場合、ドライバのブレーキペダル12の踏力に応じたブレーキ圧(初期ブレーキ圧という)のみに基づいてブレーキ圧制御を行うことになる。
差分(β−β*)の絶対値|β−β*|が閾値βthよりも大きければ、姿勢制御ブレーキ圧演算を行う(ステップS5〜S9)。この姿勢制御ブレーキ圧は、差分(β−β*)の符号(正/負)に応じて、右後輪または左後輪に追加されるブレーキ圧のことである。
差分(β−β*)>0であれば(ステップS5のYes)、車体は目標横すべり角β*よりも左にずれているので、右後輪の目標ブレーキ圧Prrを演算する(ステップS6)。(β−β*)>0ということは、車体の実際の横すべり角βが目標とする横すべり角よりも正(左)の方向を向いていることを意味するので、車体が、目標よりも左を向いていることになる。そこで右後輪のブレーキ圧を、初期ブレーキ圧よりも大きめに設定する(ステップS7)。設定すべき右後輪のブレーキ圧をPrrは、
Prr=P0+Gbr|β−β*| …(8)
に基づいて算出する。ここで、P0は初期ブレーキ圧、Gbrは設定されたブレーキ圧から発生すると考えられるヨーレートγと横加速度aとの関数である横すべり角βの、目標とする応答性に対して決定されるゲイン係数である。
差分(β−β*)<0であれば(ステップS5のNo)、車体は右にずれているので、左後輪の目標ブレーキ圧Prlを演算する(ステップS8)。この場合、車体の実際の横すべり角βが目標とする横すべり角よりも負(右)の方向にずれているので、車体が、目標よりも右を向いていることになる。そこで左後輪のブレーキ圧を、初期ブレーキ圧よりも大きめに設定する(ステップS9)。設定すべき左後輪のブレーキ圧をPrlとすると、
Prl=P0+Gbr|β−β*| …(9)
となる。
以上のようにして、車体横すべり角βが、目標横すべり角β*になることを実現するように車両の姿勢制御を行う。車体の実際の横すべり角βが目標とする横すべり角よりもずれている場合、左右何れかの後輪のブレーキ圧を増加させることによって、加速時、減速時にかかわらず、アンダーステア状態もオーバーステア状態も発生しないで、車両はドライバの意図するとおりの旋回走行を行うことができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。今まで説明した実施の形態では、補正された目標横すべり角を用いて車両の姿勢制御を行うのに、後輪のブレーキ圧制御を行ったが、前輪を含めた四輪のブレーキ圧制御を行っても良い。また、四輪駆動車両において後輪左右の駆動力配分制御を採用しても良く、前輪を含めた四輪の駆動力配分制御を採用しても良い。さらに、本願発明は、電気自動車(EV)、ハイブリッド車(HEV)など、原動機として、内燃機関だけでなく電動機(モータ)を利用した車両においても適用がある。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
1…車両用姿勢制御装置、151…目標横すべり角演算部、152…目標横すべり角補正部、153…姿勢制御ブレーキ圧演算部、β*…目標横すべり角、T…エンジンの出力を駆動輪に伝達する駆動系を構成する回転軸にかかるトルク、F…エンジンに供給される燃料の噴射量、a…車両の横方向加速度、Δβ…横すべり角補正量

Claims (5)

  1. 操舵角と車速とに基づいて、車両旋回時の目標横すべり角を算出する目標横すべり角演算部と、
    原動機の出力を駆動輪に伝達する駆動系を構成する回転軸のトルクを検出するトルク検出手段と、
    前記トルク検出手段によって検出されたトルクに基づいて算出される横すべり角補正量を用いて前記目標横すべり角を補正する目標横すべり角補正部と、
    前記目標横すべり角補正部によって補正された目標横すべり角を用いて車両の姿勢制御を行う姿勢制御部とを備える、車両用姿勢制御装置。
  2. 前記回転軸には、前記駆動輪の車輪軸が含まれ、
    前記トルク検出手段は、前記車輪軸のトルクを検出する車輪軸トルクセンサを含む、請求項1に記載の車両用姿勢制御装置。
  3. 前記原動機はエンジンであり、
    前記回転軸には、前記エンジンのピストン運動を回転運動に変えるクランクシャフト、及び前記駆動輪の車輪軸が含まれ、
    前記トルク検出手段は、前記クランクシャフトのトルクを検出するクランクシャフトトルクセンサと、前記クランクシャフトと前記車輪軸との変速比に基づき前記車輪軸のトルクを算出する車輪軸トルク算出手段とを含む、請求項1に記載の車両用姿勢制御装置。
  4. 前記原動機はエンジンであり、
    前記回転軸には、前記駆動輪の車輪軸が含まれ、
    前記トルク検出手段は、前記エンジンへの燃料噴射量の情報を取得する燃料噴射量取得手段と、前記燃料噴射量取得手段によって取得された燃料噴射量の情報を用いて、予め記憶された前記燃料噴射量と前記車輪軸のトルクとの相関関係から前記車輪軸のトルクを算出する車輪軸トルク算出手段とを含む、請求項1に記載の車両用姿勢制御装置。
  5. 前記目標横すべり角補正部は、前記回転軸にかかるトルクの絶対値が所定の閾値以下の場合には、前記横すべり角補正量をゼロにする、請求項1から請求項4のいずれかに記載の車両用姿勢制御装置。
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